Ověření konstrukce pražcového podloží s využitím asfaltové směsi se 70 % R-materiálu

• Foto

Od roku 2000 je na Katedře železničních staveb Fakulty stavební ČVUT v Praze průběžně řešeno v rámci různých výzkumných aktivit téma „Využití alternativních materiálů v konstrukci pražcového podloží“. Příkladem řešení mohou být práce věnované popílkovému stabilizátu [1], betonovému recyklátu [2, 3], drceným automobilovým pneumatikám [4] a recyklovaným asfaltovým směsím [5, 6]. Použití asfaltových směsí v konstrukci pražcového podloží bylo v podmínkách tehdejších ČSD sledováno již v 60. a 70. letech 20. století. S ohledem na vysoké počáteční náklady a technologickou komplikovanost však u nás toto řešení dosud není běžné a používá se pouze ve speciálních případech. Technologickým vývojem v oblasti silničního stavitelství dnes lze standardně vyrobit mimo běžné asfaltové směsi i směsi obsahující vyšší podíl R-materiálu. To se v současnosti postupně stává běžnou a zavedenou technologií. Pro konstrukční aplikace v železničním stavitelství tento přístup představuje zajímavou alternativu k tradičním technickým řešením.

R-materiál je asfaltová směs znovuzískaná odfrézováním asfaltových vrstev nebo drcením ker vybouraných asfaltových vozovek nebo velkých kusů asfaltové směsi z neshodné nebo nadbytečné výroby, která byla přetříděna a předrcena na požadovanou frakci. Tento materiál je přesně specifikován normou ČSN EN 13108-8. Složení R‑materiálu musí tvořit více jak 95 % asfaltových materiálů s maximálním obsahem 5 % hmotnostních ostatních recyklovaných materiálů, jakými jsou: beton, betonové výrobky, malta, betonové zdící prvky, jíl a další přilnavé nečistoty, kovy, neplovoucí dřevo, stavební plasty a pryž, sádrová omítka a další. R‑materiál patří do skupiny recyklovaných stavebních materiálů (RSM) obsahujících asfaltové směsi. Do této skupiny dále patří „recyklát z vozovek“ a „recyklát asfaltový“ (nově dle EN 13108-8:2016 pouze jako znovuzískaná asfaltová směs).

POTENCIÁL VYUŽITÍ R-MATERIÁLU V KONSTRUKČNÍCH VRSTVÁCH PRAŽCOVÉHO PODLOŽÍ

Možnost využití asfaltových směsí v konstrukčních vrstvách pražcového podloží byla historicky motivována především snahou zvýšit jeho deformační odolnost a zlepšit ochranu zemní pláně před účinky mrazu a vody. Konstrukční vrstvy vyrobené z asfaltových směsí se vyznačují vyšší mechanickou odolností, včetně schopnosti přenášet tahová napětí. V důsledku nižší tepelné vodivosti asfaltových směsí, ve srovnání s (běžně používaným) drceným kamenivem, je při jejich použití zemní pláň lépe chráněna před účinky mrazu. Současně může konstrukční vrstva z asfaltových směsí významným způsobem omezit pronikání srážkové vody na zemní pláň a zabránit vzlínání vody a jemnozrnného materiálu zemní pláně do kolejového lože.

Základní nevýhodou aplikace asfaltových směsí do konstrukce pražcového podloží v ČR je jejich cena, která je ve srovnání s drceným kamenivem (štěrkodrť frakce 0/32) přibližně 6× vyšší. Další významnou nevýhodou je závislost kvality konstrukčních vrstev z asfaltových směsí na teplotě při jejich pokládce. Drcené kamenivo lze zpracovávat prakticky bez teplotního omezení s výjimkou zákazu zpracovávat zmrzlé drcené kamenivo. První možností, jak snížit cenu konstrukční vrstvy vyrobené z asfaltové směsi, je při její výrobě maximálně využít na potřebnou teplotu ohřátý recyklovaný tříděný materiál označovaný jako R‑materiál. Druhou možností je při pokládce konstrukční vrstvy použít pouze základní stavební techniku typu: zemní válec, grejdr, nákladní automobil, rypadlo. Z hlediska dosažení lepší efektivity pokládky a zejména co nejlepší homogenity zhutnění a stejné rovinatosti, se nicméně doporučuje používat standardní finišery.

Od roku 2011 je na Katedře železničních staveb Fakulty stavební ČVUT v Praze systematicky realizován výzkum možnosti aplikace asfaltových směsí obsahujících 100 % R-materiálu ohřátého na teplotu 80 °C až 120 °C bez aplikace dalších příměsí či pojiv do konstrukční vrstvy pražcového podloží [5]. Pro takovou aplikaci nejsou v oboru železničního ani silničního stavitelství v ČR stanoveny postupy, normy a předpisy. V letech 2011 až 2014 byly postaveny v měřítku 1 : 1 dva malé laboratorní modely o rozměrech (900 × 790 × 480 mm) a tři velké laboratorní modely o rozměrech (2 095 × 990 × 800 mm) konstrukce pražcového podloží s vrstvou z asfaltové směsi obsahující 100 % R‑materiálu.

Tabulka 1 – Požadavky na konstrukční vrstvu z asfaltové směsi s obsahem 100 % R‑materiálu

ZKUŠEBNÍ ÚSEK S RECYKLOVANÝM ASFALTOVÝM BETONEM

Realizovaný zkušební úsek o délce přibližně 80 m se nachází na celostátní železniční trati Plzeň – České Budějovice v katastrálním území obce Šťáhlavy v Plzeňském kraji v nadmořské výšce 360 m. n. m. Jedná se o jednokolejnou elektrifikovanou trať s dovolenou traťovou třídou zatížení D3, která je definována přípustným zatížením na nápravu 22,5 t, resp. 7,2 t/m.

Zkušební úsek začíná v km 326,095 a končí v km 326,169 a zahrnuje také železniční přejezd v km 336,111. Poloha zkušebního úseku byla vybrána z důvodu dlouhodobých problémů s udržením geometrických parametrů jízdní dráhy způsobených jak namáháním železničního přejezdu silniční dopravou, tak navíc i nepříznivým vodním režimem. Problémy s geometrickými parametry koleje vyústily v nepřípustné hodnoty zborcení koleje v místě železničního přejezdu a správcem trati byla naplánována komplexní rekonstrukce přejezdu a přilehlých úseků trati.

Zkušební úsek je vyjma železničního přejezdu situován v mělkém zářezu s hloubkou do 1,5 m. Železniční svršek je v tomto úseku tvořen betonovými pražci SB8, tuhým upevněním typu K a kolejnicemi tvaru 49 E1. Původní projekt rekonstrukce pražcového podloží v daném úseku předpokládal vložení typické konstrukční vrstvy ze štěrkodrti o tloušťce 250 mm. Tento návrh byl ze strany ČVUT v Praze po konzultaci s investorem v místech zkušebního úseku upraven tak, že část tloušťky vrstvy štěrkodrtě byla nahrazena vrstvou z R‑materiálu zpracovaného za tepla, resp. asfaltovou směsí ACP s podílem R-materiálu ve výši 70 %, viz obrázek 1.

Asfaltová směs s vysokým podílem R‑materiálu byla dovezena nákladními automobily, ze kterých byla odebírána za použití dvoucestného bagru MHS.2. Rozhrnování asfaltové směsi s R-materiálem z osy koleje po šířce a jeho výšková úprava byla provedena pomocí grejdru HBM BG 110. Asfaltová směs byla hutněna se střední vibrací pomocí zemního tahačového válce AMMANN ASC 90 o hmotnosti 9 t. Na vrstvu asfaltového betonu byla po vychladnutí zřízena vrstva kolejového lože a položen kolejový rošt.

Konstrukční vrstva asfaltového betonu byla vyrobena ze směsi označené dle ČSN EN 13108-1 jako ACP 22+ se silničním asfaltem 50/70. Tato asfaltová směs obsahovala 70 %-hm. tříděného R-materiálu frakce 0/22 mm. Teplota směsi při nakládce byla 140 °C a při zpracování na stavbě teplota klesla na rozpětí mezi 100 °C až 120 °C. Vyššího obsahu podílu R-materiálu ve směsi nebylo možné z technologických a přepravních důvodů dosáhnout.

Po cca 4 hodinách od pokládky konstrukční vrstvy z asfaltové směsi s vysokým obsahem R‑materiálu byly provedeny odběry zkušebních vzorků (jádrových vývrtů). Na zkušebních tělesech byla Katedrou železničních staveb Fakultou stavební ČVUT v Praze později laboratorně stanovena pevnost v prostém tlaku, a to s ohledem k standardním požadavkům u vrstev železničního spodku.

LABORATORNÍ ZKOUŠKA PEVNOSTI V PROSTÉM TLAKU

Laboratorní zkoušky byly provedeny počátkem roku 2017 a u zkušebních těles tak lze předpokládat mírnou degradaci krátkodobým stárnutím, které je pro asfaltové směsi přirozené. Technický předpis popisující metodu stanovení pevnosti recyklovaného betonu v prostém tlaku není v rámci předpisové základny EN norem dostupný. Z tohoto důvodu byly požadavky na laboratorní zařízení pro provádění testu, postup provádění zkoušky a metoda výpočtu pevnosti v prostém tlaku přejaty z technické normy ČSN EN 13286-41 zaměřené na zkoušení nestmelených směsí a směsí stmelených hydraulickými pojivy.

Základní naměřené hodnoty jednotlivých zkušebních těles jsou uvedeny v tabulce 2. Průměrná objemová hmotnost konstrukční vrstvy z asfaltové směsi s obsahem 70 % R-materiálu vypočtená z rozměrů a hmotnosti těles dosáhla hodnoty 2 460 kg∙m^–3. Pro porovnání lze uvést, že při výrobě laboratorních válcových zkušebních těles z asfaltové směsi odebrané při vlastní realizaci bylo dosaženo metodou vodou nasyceného povrchu (SSD) dle ČSN EN 12697-6 objemové hmotnosti 2 358 kg∙m^–3 až 2 427 kg∙m^–3 v závislosti na zvolené teplotě hutnění v intervalu 100 °C až 140 °C.

Tabulka 2 – Výsledky laboratorních zkoušek provedených na zkušebních tělesech

Průměrná pevnost zkušebních těles v tlaku dosáhla hodnoty R_c = 4,3 MPa. Zvolený zkušební postup zatěžování prostým tlakem stanovil nejvyšší dosaženou sílu, ze které byla vypočtena pevnost zkušebních těles z R-materiálu. Při dosažení síly, ze které je vypočtena pevnost zkušebního tělesa, došlo k významnému stlačení zkušebních těles, a to v rozmezí od 15 do 20 mm. Takové stlačení nekoresponduje se skutečným stlačením konstrukční vrstvy v železniční trati, ale je charakteristikou R‑materiálu při zvoleném postupu provádění laboratorní zkoušky. Je vhodné kvalitu recyklovaných asfaltových směsí posoudit typickými zkouškami, jako je pevnost v příčném tahu dle ČSN EN 12697-23 nebo modul tuhosti dle ČSN EN 12697-26.

S ohledem k dřívějším poznatkům a experimentálním posouzením provedeným například v rámci disertační práce [5] byla asfaltová směs odebraná ze zkušebního úseku zhutňována při třech různých teplotách (100 °C, 120 °C a 140 °C), a to vždy 2 × 50 údery Marshallova pěchu. Uvedený postup byl částečně zvolen též s ohledem k teplotám hutnění, které se vyskytovaly při vlastní realizaci zkušebního úseku.

Tabulka 3 uvádí výsledky provedených stanovení modulu tuhosti, který se určil nedestruktivní metodou opakovaného namáhání v příčném tahu na válcových zkušebních tělesech dle ČSN EN 12697-26 při třech různých zkušebních teplotách. Výsledky jsou logické a korespondují s obvyklými poznatky, kdy zkušební tělesa zhutněná při vyšší teplotě (a tudíž s nižší mezerovitostí) vykazují mírně zlepšenou hodnotu tuhosti. Tento poznatek se opakuje i v případě teplotní citlivosti, která je vyjádřena poměrem mezi modulem tuhosti při nejnižší a nejvyšší zkušební teplotě. Čím nižší je výsledný poměrový ukazatel, tím lze předpokládat menší náchylnost asfaltové směsi na změnu teploty.

Tabulka 3 – Objemová hmotnost a tuhost asfaltové směsi ACP 22 se 70 % R-materiálu

Tabulka 4 – Objemové hmotnosti a míry zhutnění zkušebních vývrtů testovacího úseku

V neposlední řadě jsou prezentovány výsledky chování asfaltové směsi z hlediska odolnosti proti šíření mrazové trhliny na půlválcových zkušebních tělesech při 0 °C nebo únavové trhliny při 15 °C. V obou případech se postupovalo dle metodiky uvedené v normě ČSN EN 12697-44. V případě mrazové trhliny byla rychlost zatěžování zkušebního vzorku 5 mm/min a výsledek je vždy průměrem šesti měření. U únavové trhliny nebylo prováděno simulované termooxidativní stárnutí asfaltové směsi a vlastní zkouška se prováděla při rychlosti zatěžování 1 mm/min. Klíčovou charakteristikou je kritická hodnota lomové houževnatosti, která vyjadřuje v souladu s teorií lomové mechaniky odolnost materiálu proti křehkému lomu (v našem případě vzniku trhliny). Z výsledků vyplývá, že teplota hutnění, a tedy i výsledná mezerovitost, mají v tomto případě poměrně důležitý vliv na míru odolnosti asfaltové směsi proti vzniku a šíření trhliny (viz tabulka 5).

Tabulka 5 – Výsledky zkoušky odolnosti asfaltové směsi proti šíření trhliny

ZÁVĚR

Realizace laboratorních modelů včetně laboratorních zkoušek umožnila stanovit základní návrhové parametry pro asfaltové směsi s vysokým obsahem R-materiálu využitelné v železničním stavitelství. Při výrobě asfaltové směsi, použité do zkušebního úseku, se z technologických důvodů nepodařilo vyrobit směs s obsahem 100 % R‑materiálu a vyrobená směs dosáhla pouze cca 70 % obsahu R-materiálu. Z tohoto důvodu byly očekávány výsledky laboratorních zkoušek na straně směrem k vyšší kvalitativní hranici. Tato hypotéza se potvrdila (s výjimkou obsahu asfaltového pojiva), jak uvádí tabulka 6.

Tabulka 6 – Porovnání návrhových a dosažených parametrů asfaltové směsi a vrstvy

Z pohledu praktických zkušeností z realizace zkušebního úseku je možno konstatovat, že lze běžnou stavební mechanizací realizovat konstrukční stmelenou vrstvu s vysokým obsahem R-materiálu a že tato vrstva dosahuje navrhovaných parametrů. Pro podrobnější analýzu a hodnocení konstrukční vrstvy s vysokým obsahem R-materiálu v asfaltové směsi při uplatnění v železničním stavitelství bude zkušební úsek pracovníky Katedry železničních staveb v následujících letech podrobně sledován a vyhodnocován. Tím by mělo dojít k zajištění dalších praktických poznatků s užitným chováním takového kompozitu v oblasti železničních staveb.

Podpořeno projektem „Zkušební úsek s konstrukční vrstvou z R-materiálu v pražcovém podloží”, označení ISPROFOND 500 621 0236, poskytovatel SFDI ve spolupráci s SŽDC.

LITERATURA:
[1] M. Lidmila, V. Lojda, L. Kopecký, Z. Prošek: Popílkový stabilizát v konstrukci pražcového podloží. VUT v Brně, Fakulta stavební, s. 133, 2015.
[2] O. Zobal, P. Padevět, M. Lidmila, P. Tesárek: Možnosti recyklace betonu. In Betonářské dny 2010. Praha: Česká betonářská společnost ČSSI, 2010, díl 1, s. 491-494. ISBN 978-80-87158-28-9.
[3] J. Šablatura: Experimentální ověření recyklátu z betonových pražců v konstrukční vrstvě pražcového podloží. Diplomová práce. Praha: ČVUT v Praze, Fakulta stavební, 2012, s. 111.
[4] O. Bret: Determination of rubber granulate frost protection. Juniorstav 2017, Brno: Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering, 2017.
[5] P. Kučera: Utilization of alternative materials in railway trackbed. Ph.D thesis, Czech Technical University in Prague, Prague, 2015.
[6] M. Lidmila, T. Zikmund, J. Dvořák, J. Kaiser, V. Lojda: Application of Non-destructive Method for the Determination of Microstructural Parameters of Recycled Asphalt Concrete in Track Bed. In: Key Engineering Materials. Trans Tech Publications, Switzerland. Vol. 722, pp 235–240, 2017. ISSN: 1662-9795.

A Test of the Structure of Railway Sleeper Foundation Using an Asphalth Mixture including 70 % of R-Material
This paper deals with the alternative utilization of reclaimed asphalt, so called RA obtained from existing asphalt concrete courses. The description and the possibilities of the RA implementation in railway structures are presented, as well as a summary of its advantages and disadvantages. Based on the laboratory model of railway trackbed with the application of RA in an experimental full-scale box, structural layer was paved by using RA in a railway trial section. Estimated and assumed benefits from the RA material application are the rehabilitation of track-design parameters and the remediation of poor ground water level conditions in the trackbed in which the subgrade is threatened by the unfavourable influence of frost. Using the core-drilling method, the specimens for the consequent laboratory testing were sampled. The deformation characteristics together with the material description are presented as the fundamental outcome of this research.

Autoři

• Ing. Lidmila Martin Ph.D.
• Ing. Valentin Jan Ph.D.
• Ing. Lojda Vít
• Ing. Bret Ondřej